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Exercices et applications de la charge électrique

Mettez en pratique vos connaissances sur la charge électrique avec des exercices résolus et des applications concrètes, adaptés aux élèves de lycée.

Exercice 1 : Calcul de la charge totale

Énoncé: Un objet possède un excès de 5 × 1012 électrons. Quelle est la charge totale de cet objet ? Solution: Nous savons que la charge d'un électron est e = -1.602 × 10-19 C. La charge totale (q) de l'objet est donnée par : q = n * e où n est le nombre d'électrons en excès. Donc, q = (5 × 1012) * (-1.602 × 10-19 C) = -8.01 × 10-7 C = -0.801 μC L'objet a une charge négative de -0.801 microcoulombs.

Exercice 2 : Transfert de charge

Énoncé: Une sphère A, initialement neutre, est mise en contact avec une sphère B portant une charge de +4 μC. Après séparation, les deux sphères ont la même charge. Quelle est la charge de chaque sphère ? Solution: La charge totale du système est de +4 μC. Comme les deux sphères ont la même charge après séparation, la charge totale est divisée équitablement entre elles. Charge de chaque sphère = (Charge totale) / 2 = (+4 μC) / 2 = +2 μC Chaque sphère a une charge de +2 μC.

Application : L'électroscope

L'électroscope est un instrument simple permettant de détecter la présence de charge électrique. Il est constitué d'une tige métallique surmontée d'une boule conductrice et de deux feuilles métalliques légères suspendues à l'extrémité inférieure de la tige. Fonctionnement:

  • Lorsqu'un objet chargé est approché de la boule conductrice, les charges de même signe sont repoussées vers les feuilles, et les charges de signe opposé sont attirées vers la boule.
  • Les feuilles, portant la même charge, se repoussent et s'écartent l'une de l'autre. L'angle d'écartement des feuilles est proportionnel à la quantité de charge présente.
  • Si l'objet chargé est retiré, les charges se redistribuent et les feuilles retombent.
L'électroscope permet de démontrer facilement les principes de l'électrostatique, tels que la répulsion et l'attraction des charges, et l'influence électrostatique.

Application : La photocopieuse

Le fonctionnement d'une photocopieuse repose sur les principes de l'électrostatique. Étapes principales:

  1. Charge électrostatique: Un tambour photosensible est chargé électrostatiquement par un fil corona.
  2. Exposition: Une image de l'original est projetée sur le tambour. Les zones éclairées du tambour perdent leur charge.
  3. Développement: Un toner (poudre fine) chargé électrostatiquement est attiré par les zones chargées restantes sur le tambour, formant une image en poudre.
  4. Transfert: L'image en poudre est transférée sur une feuille de papier.
  5. Fixation: La poudre est fixée au papier par chaleur et pression.
L'électrostatique est donc essentielle au fonctionnement des photocopieuses.

Ce qu'il faut retenir

  • Les exercices permettent de mettre en pratique les concepts théoriques de la charge électrique.
  • Les applications, comme l'électroscope et la photocopieuse, illustrent l'importance de l'électrostatique dans la vie quotidienne et la technologie.
  • Le calcul de la charge totale, le transfert de charge, et la compréhension du fonctionnement des appareils électrostatiques sont des compétences clés.

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FAQ

  • Quelle est la différence entre une charge induite et une charge permanente ?

    Une charge induite est une charge qui apparaît temporairement sur un objet en raison de la présence d'une autre charge à proximité (influence électrostatique). Une charge permanente est une charge qui est présente de façon continue sur un objet, généralement due à un excès ou un défaut d'électrons.
  • Comment peut-on décharger un objet chargé ?

    Un objet chargé peut être déchargé en le mettant en contact avec la terre (mise à la terre). La terre est un réservoir de charges électriques, et l'excès de charges de l'objet se déplace vers la terre (ou inversement) jusqu'à ce que l'objet devienne neutre.
  • Pourquoi est-il dangereux de faire le plein d'essence près d'un téléphone portable ?

    Les téléphones portables peuvent émettre des étincelles électriques, même si c'est rare. Dans une atmosphère riche en vapeurs d'essence, une étincelle peut provoquer une explosion. Bien que le risque soit faible, il est préférable d'éviter d'utiliser son téléphone portable lors du remplissage du réservoir d'essence.